离子型稀土矿开采的环境影响及治理措施

王秀丽，张哲源，李恒凯

（1.江西理工大学经济管理学院，江西赣州341000；2.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000）

稀土被称作“工业黄金”，因其具有优良的光电磁等物理特性，被广泛应用于机械、冶金、石油化工、电子信息等领域[1，2]。稀土分为轻稀土和重稀土两类，其中重稀土更是与新材料，高端科技产品甚至尖端武器密切相关[3]。中国是稀土资源大国，已探明的稀土资源量约6588万吨，根据国务院新闻办2012年发布的《中国的稀土状况与政策》白皮书显示，我国稀土储量约占世界总储量的23%，江西赣南更是拥有全国30%以上的离子型重稀土，素有“稀土王国”的美誉[4，5]。然而，随着市场需求的逐步扩大，投资者为了追求更大的利益迅速扩张，但是由于过渡开采、生产工艺落后、经营方式不合理等原因，使得稀土矿区附近的生态环境遭到了较为严重的破坏，而开采产生的大量弃土废渣堆积，在一定程度上也使得稀土矿区的土壤、河流等受到严重污染[6-8]。鉴于此，本研究通过分析稀土矿的开采工艺，探索稀土矿开采可能产生的环境问题并对此提出有效的建议，以期为其它研究者提供进一步的参考。

1 稀土矿的开采工艺

1.1 池浸工艺

我国离子型稀土矿中大约有85%的稀土元素的存在形式主要是离子，如高岭土、蒙脱等，含量在0.05%～0.30%左右。常规的方法是采用物理选矿法对稀土矿进行提纯，但是该方法很难将稀土矿加工成稀土精矿，因此在离子型稀土矿的开采初期，主要采用的是池浸工艺，池浸工艺属于化学选矿法的一种，被称作是“搬山运动”[9]。该工艺一般是将开采的原矿石放入浸取槽，利用浸矿剂将稀土元素从原矿石中交换出来，其中，浸矿剂一般选取7%浓度的氯化钠溶液，然后再通过草酸溶液将交换出来的稀土元素在沉淀池中沉淀，最后经过过滤、洗涤等一系列步骤，得到纯度较高的稀土氧化物。但是池浸工艺在开采过程主要依靠人工，工作效率低下，而且对生态环境造成严重影响，数据显示，每产生1t稀土氧化物，植被破坏160～200m2，剥离表土约300m3，对矿区的植被破坏严重，严重时会造成地形地貌改变[10]，其次池浸工艺采用的氯化钠浸矿剂会产生大量的浸矿废液，部分企业为了减少成本直接将这些浸矿废液对外排放，使得其通过渗透作用进入到河流中，影响植物的正常生长，矿区的土壤也可能因此受到污染，产生盐碱化。

1.2 堆浸工艺

堆浸工艺对稀土矿的提取实质上是加强的池浸工艺，两者的原理相似，都属于“搬山运动”，同样会对矿区环境造成威胁[11]。相比池浸工艺而言，堆浸工艺提高了稀土的生产效率，资源利用率也有所提高，对纯度较低的矿石也有较好的提取效果，并且堆浸工艺的机械化程度更高，利用大型设备来开挖矿体，并将其堆积在堆浸场中，再利用浓度为1%～4%的硫酸铵溶液作为新的浸矿剂[12]，相比浓度为7%的氯化钠溶液，低浓度的硫酸铵溶液对水土的污染较小，而由于草酸造价昂贵，选取碳酸氢铵作为新的沉淀剂，既降低了提取稀土的成本，又减少了对环境的影响程度。但是由于堆浸工艺是在池浸工艺的基础上改进的，因此采用堆浸工艺对稀土矿进行开采的过程中，仍然会使矿区植被破坏严重，也会产生大量的废渣、废液等，而部分堆浸场会循环往复使用多次，影响堆浸场的质量，一旦发生泄漏，对生态环境的破坏比池浸工艺更大。

1.3 原地浸矿工艺

虽然堆浸工艺相比池浸工艺对稀土矿的提取有所提高，但是仍存在诸多缺点，针对这一现状，在20世纪90年代，我国研发出了原地浸矿工艺这种新的开采工艺，在不破坏矿区表面植被的情况下对稀土矿进行提取，这一方法在目前仍被认为是最环保的离子型稀土矿的开采工艺[13，14]。该工艺不用开挖原矿石，通过在矿区的表面挖掘一定数量的注液井，将配置好的硫酸铵浸出液经注液井流入矿体，溶液中的NH4+离子会将矿体表面的稀土元素交换出来，将流出矿体的稀土母液用集液沟收集起来，然后再利用碳酸铵溶液将其沉淀得到稀土。因为这种开采工艺不必挖掘矿体，减少了矿区水土流失以及地形地貌改变，但是仍会引起部分环境问题，由于该工艺需要挖掘注液井，造成矿体内部空虚，当矿区遇到大范围的降雨时，可能会发生山体滑坡等灾害；而残留的硫酸铵溶液长时间侵蚀矿体，通过渗透作用会污染矿区的地下水以及土壤等，同时也会加剧对植被的破坏作用；此外，浸取液中的NH4+会将一些重金属元素的化学形态发生变化，这些重金属元素通过侧渗作用进入地下水进而造成整个水体出现富营养化的问题。

2 稀土开采对环境产生的影响

2.1 大气污染

在稀土矿的开采过程中，由于矿石破碎会产生大量的粉尘，粉尘会随风向下风向扩散，导致矿区附近的空气能见度降低，空气污染范围增大；而在稀土矿的提取过程中，利用沉淀剂得到草酸稀土或碳酸稀土，需要进行灼烧以得到氧化稀土，投资者为了节约成本，通常的做法是在矿区就地灼烧，燃烧产生了大量的SO2、CO、CO2等气体，导致温室效应、酸雨等大气污染，对矿区附近居民的正常生活和生产造成了影响，同时也对周边环境的生态平衡发展具有一定的威胁。

2.2 水资源污染

目前采用的开采工艺主要是以原地浸矿工艺为主，经过浸出，沉淀等工序仍会产生大量的废水，这些废水中含有草酸根，硫酸根等离子，导致废水的酸性极强，但是绝大部分的废水是没有经过处理就直接对外排放，严重污染了水体[15]。而且，堆积的尾砂会通过淋滤作用进入水体，造成水中的重金属离子以及稀土元素的含量过高。此外稀土开采的过程中难免会有浸矿剂残留，经过降雨的冲刷和渗透作用，将会导致大量的重金属离子进入地下水造成严重的污染。

2.3 土壤环境损伤

在稀土矿的开采前期，主要采用的是池浸或堆浸工艺，对植被破坏严重，造成表土分离，而矿区植被的复垦率较低，矿区基本没有对水土流失的保护措施，加上赣南地区雨季持续时间长，导致严重的水土流失，使得土壤养分和有机肥减少，生产力降低；而由于稀土开采产生的废渣、废液等污染物通过水体流入土壤，会增加土壤的重金属含量[16]，改变土壤养分，严重时会使得土壤盐碱化，矿区的可利用土地面积减少。

2.4 地质损害

地质损害同样是稀土矿开采产生的环境问题之一，不管是池浸工艺、堆浸工艺的“搬山运动”，还是原地浸矿工艺的“环保开采”对矿区附近的地质环境造成了不同程度的损害[17]。在稀土矿的开采过程中，池浸和堆浸工艺都需要将矿区表层土进行剥离，大面积的破坏植被，造成矿区生态环境的改变，而原地池浸工艺挖取较多数量的注液井，造成矿体内部结构不稳，极易发生泥石流、滑坡、矿体崩塌等灾害。

3 环境污染的治理措施

3.1 浸出污染控制

尽管原地浸矿工艺的使用降低了污染，但是由于开采过程中仍使用大量的浸矿剂，其残留物对地下水和地表水的安全造成了威胁，因此需要对浸出污染采取以下控制措施：①清污分流措施，主要是指利用矿区内的收液系统对地表水进行清污分流处理，防止废水、废液等汇集进入地表水造成污染；②人工防渗假底措施，利用水泥砂浆在矿区的集液沟、收液巷道以及水平监控孔等地的底板构筑人工防渗假底，防止母液泄漏流入地下水和地表水造成污染；③建立收液监控系统，借助于原有的管道系统，构建巷道—水平孔—垂直孔的三级收液监控系统，降低母液的泄露率以减少对矿区地下水及土壤的污染；④长期监测地下水，建立一个包括采矿点地下水、母液地下水和矿区下游地下水的动态监测系统，通过系统掌握矿区的实时水质变化情况并作出相应的处理措施。

3.2 工程治理

受到稀土开采的影响，矿区土壤以及山体的结构松散，极易受降雨等外部条件的影响，造成较大的危害，因此在对矿区的生态恢复前需进行工程治理处理。池浸以及堆浸开采工艺主要造成了矿区内部的采空区和尾砂场区，其中采空区的结构相对坚稳，利用浸取池和积液池的管道系统，在其表面挖掘沟渠，便于植被的复垦，尾砂场区由于尾砂堆积，可兴建拦沙坝进而防止水土的进一步流失；原地浸矿工艺对植被的破坏较小，但是由于浸矿剂的残留，矿区内部受到了严重的侵蚀，因此需要对回填的平地进行人工切坡，形成稳定化的梯田，结合全南县的治理经验，首先应该将开采产生的较大的冲刷口填补，形成梯形平台并对其进行平整；其次，沿着平台的边界修建排水沟渠和土坎以阻截尾砂，排水沟渠的修建借助于原有的管道系统；最后尽可能地消减高陡边坡，降低梯台的上坡面和下坡面之间的落差，加强边坡的稳定性，稳定基底以减少滑坡等危害。

3.3 生态修复

3.3.1 土壤改良。土壤环境中缺少钾、磷等有机元素，造成土壤养分流失；而重金属等有害元素含量较高，影响土壤微生物的生长，造成土壤酶活性较低，严重损害植被恢复的程度。因此，在对矿区进行基质稳定化的同时，也要适量的增加土壤中的有机元素，对土壤的环境进行改良。由于开采工艺不同，具体的处理措施也不同，对于采空区来讲，可采用喷浆工艺在其周围的土壤中添加纤维材料、各类肥料和土壤改良剂，用以提高土壤的保水性，增强土壤颗粒的结构稳定性；对于尾砂场区，可根据植被种植地的实际土壤情况垒放客土，不仅可以加固梯田坡面的稳定性，同时还可以增加土壤的肥力；对于原地浸矿工艺造成的注液井而言，首先需要对注液井回填客土，拌入动物粪便、农作物残留物等有机肥，其中富含的氮、磷、钾等元素不仅能为植物提供全面营养，而且肥效长，可增加和更新土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性。

3.3.2 植被复垦。植被复垦是进行生态修复的重要方式之一，数据显示，未经过植被复垦的矿区的土壤侵蚀速度是原矿区的50倍，然而即使进行了矿区稳定化、土壤改良的措施，矿区的土壤环境依旧较差，并且客土的成本较高，难以对矿区进行大面积覆盖，因此植被的选取是矿区植被能够恢复的关键问题，首先选取的植被应尽可能的是矿区原本的物种，其较外地物种更容易适应矿区的环境，同时还可减少外来物种入侵的可能性，造成对矿区生态群落的扰动。其次，在水土流失较严重的区域，多选择生命力强、生态周期短的生草灌，如山苍子、百喜草等植物。此外，选取的植物可以对矿区的土壤进行良性改造，如豆类植物等，这些植物不仅仅是改善土壤的物理属性，同时还可增加土壤的有机物质，使得更适合自身的生长，也有利于更多新物种的进入，形成良性循环。

3.4 企业合理开发

企业应在开发前对矿区原有的生态环境进行实际调查，作为生态修复的参照，包括水质地质、土壤等情况，在矿山实际开采的过程中，合理使用浸矿剂，尽可能地减少开采过程对当地生态造成较大的扰动；建立安全组织机构，避免开采不当对环境造成更大的损害，如在开采现场发现矿体存在较大空隙、裂缝等情况，及时停止开采过程。此外，针对不同的矿区环境，尤其是开发难度较大的矿区，工作人员和特种作业人员需要持相应的证件上岗，同时需要对矿区的生态环境进行常态监测，制定切实有效的环境保护和恢复治理方案，组织专家举办听证会，对其进行论证，方案通过后，企业应严格按照方案执行，对开采后的矿区进行生态修复。

3.5 政府加强监管

政府应该加强监管措施，对矿山实行生产总量控制，政府按照计划下发生产指标，并且对稀土焙烧所用的燃料进行整改，禁止使用木柴、煤等污染较大的燃料，加大清洁燃料的使用，规范稀土市场的秩序，严格要求企业按照开采规则和指标对稀土进行开发。

4 结论

4.1 尽管原地浸矿工艺相比池浸、堆浸工艺有了较大的改进，但浸矿剂的残留经渗透作用进入地下水和土壤仍会造成环境污染，建议针对浸矿剂的浓度，注液强度等参数进行研究，根据实际确定合理的浓度。

4.2 早期稀土开采遗留下了大量的废弃矿山，矿区内的植被复垦率低下，尽管采用改良剂提高土壤的有机质含量，但是成本高，改良效果差，建议研究保水多肥且低成本的新的改良剂。

4.3 由于稀土是不可再生的战略性资源，且稀土资源的利用率低下，造成了大量的资源浪费，建议进一步研究开采工艺，提高勘探技术，提高资源利用率，促进稀土行业的可持续发展。